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Transformadores para aplicaciones especiales Variadores de velocidad (VSD)

Hernan Escarria, PTI, Customer Day Santo Domingo – Punta Cana - Dominican Republic - August 2014


Transformadores para aplicaciones especiales.Aplicación

Transformadores para varios segmentos industrialesAplicación

Química, Petróleo & Gas

Energía Agua

Marina

Pulpa & Papel Aplicaciones especiales, ej. Tuneles de Viento

MetalesCemento, Minería & Minerales



Transformadores para aplicaciones especialesNuestra experiencia mas alla de aplicaciones estándar

Reactores Energía Solar Molinos de viento Trafos reguladores

Hornos de arco Rectificadores Aplicaciones submarinas Accionamiento de velocidad Variable Corredores ferroviarios

Productos que hace su sistema completo

Transformadores para aplicaciones especialesTrenes – Desde el lado de las vias

Transformadores para trenes Autotransformadores Transformadores Booster Trafos rectificadores DC 12/24 pulsos Trafos alimentadores AC Trafos convertidores estáticos (AC/AC) Trafos auxiliares and aislamiento

Customers EPC’s, Compañías ferroviarias

Características técnicas Dimensiones especiales para trenes Alta capacidad de cortocircuito Frecuencia 16,7, 25, 50 y 60 Hz Sistemas de unico y doble voltaje Procesos de precalificación


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www.abb.com/railway

Transformadores de tracción

Motores and Generadores

Convertidores & Semiconductores

Fusibles de Tracción

Componentes de LV

Productos de MV

intemperie

Protección y control

Trafos de distribución y especiales

Transformadores de Potencica

Subestación

Calidad de energía

Productos de alta tensión

Convertidores principales y auxiliares

Motores de tracción

Semi-Conductores

Bajo Voltaje

Sistema de enclavamiento

Subestaciones y SCADA

SCADA

Equipo en el cocheSeñalización

Comunicaciones

Railway ABB - Productos y aplicaciones ferroviarias

Interruptores AC

Interruptor interior de MVTransformadores potencia y tracción



Transformadores para hornos y rectificadores

Trafos para hornos y rectificadores Trafos para hornos de arco Trafos rectificadores de alta corriente Nuevas instalaciones o remplazos

Clientes Industria química y metalurgia

Características técnicas Alta corriente secundaria Multiples partes activas en un tanque Todos los grupos de conexión Contenido armónico Multiple voltajes de baja tensión Soluciones con autotransformadores Alta capacidad de corto-circuito


Transformadores Industriales.Descripción general de procesos


Transformadores para aplicaciones especialesVariadores de velocidad


Por que controlar o variar la Velocidad?Diferentes situaciones


Por que controlar o variar la Velocidad?Diferentes procesos



Los primeros medios mecanizados fueron las palancas, los rodillos y los planos inclinados. En el siglo VII A.C. aparecen las poleas

Después de la edad media los primeros elevadores de cargas fueron fabricados utilizando cadenas planas con cangilones metálicos espaciados a pocas pulgadas.

Hoy en día en su mayoría son utilizadas bandas de hule con cangilones plásticos.

Minería y transportadoras de minerales



Los aparatos y máquinas de elevación y transporte modernos de alta productividad que trabajan a elevadas velocidades y que poseen gran capacidad de carga aparecieron como resultado de la perfección gradual de las maquinas en el curso de mucho tiempo.

A las modernas líneas tecnológicas de producción en cadena y automatizadas se suma un sistema de variación de velocidad eficiente y confiable con control de torque asociado a las máquinas de elevación y transporte y permiten ejecutar eficazmente la continuidad y el ritmo de los procesos de elaboración

Minería y transportadoras de minerales



El proceso de bobinado en la industria del papel es una buena aplicación de variación de frecuencia, donde es imprescindible la precisión y control del torque en cada bobina de papel.

Propulsion de barcos

Pulpa y papel


Como controlar o variar la Velocidad?Variador de velocidad mecánico

Un variador de velocidad puede consistir en la combinación de un motor y el controlador que se emplea para regular la velocidad del mismo. La combinación de un motor de velocidad constante y de un dispositivo mecánico que permita cambiar la velocidad de forma continua (sin ser un motor paso a paso) también puede ser designado como variador de velocidad.


Como controlar o variar la Velocidad?Variador de velocidad electrónico

Un variador de velocidad mas eficiente consiste en un circuito electrónico que modifica la frecuencia de la energía eléctrica entregada al motor y de esa manera controla la velocidad del mismo (ondulador).

De la exactitud de la ondulación (numero de pulsos, simetría de las operaciones de los componentes y adecuada selección de los dispositivos electrónicos) dependerá la calidad de la onda entregada al motor


Cargas no linealesInfluencia en los transformadores

Las cargas no lineales son todas aquellas que generan corrientes no sinusoidales, es decir, corrientes que además de la componente fundamental tienen otras que son múltiplos enteros de la fundamental y que se conocen como armónicos.



Este tipo de cargas ha existido en los sistemas eléctricos desde el principio, principalmente eran de tipo magnético, como las corrientes de excitación de los transformadores y los balastos magnéticos de luminarias tipo fluorescente. Su influencia en el sistema eléctrico era escasa.



La aparición de la electrónica ha mejorado mucho las propiedades de los productos pero ha traído consigo, entre otros problemas, la generación de armónicos.



RECTIFICADORES



Los fabricantes de variadores de frecuencia de motores de inducción explican como estos equipos mejoran la eficiencia de las máquinas permitiendo variar la velocidad de funcionamiento según las necesidades de la aplicación, pero advierten que éstos producen armónicos de orden 5, 7, 11, 13…

El orden característico de Armónicos (h) en el lado de la línea con relación al número de pulsos del rectificador (p) : h= n x p ±1 (n=1,2,3... Cualquier número entero),

Un rectificador de 6 pulsos produce 6-1=5°, 6+1=7°, 12-1=11°, 12+1=13° armónicos de corriente (en el caso ideal)

Un rectificador de 12 pulsos produce 12-1=11°, 12+1=13°, 24-1=23° and 24+1=25° armónicos de corriente (en el caso ideal)



Harmonics - Example

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 0.005 0.01 0.015

time

pu

fundamental3th harmonic5th harmonic7th harmonictotal



Una manera de reducir armónicos es con conexiones del transformador

Número de pulsos se puede aumentar mediante la aplicación de varios grupos de 6 pulsos con un desplazamiento de la fase de las tensiones de alimentación.

30 grados de desfase se puede obtener mediante el uso de la conexión básica de grupos de bobinas (Y y D)

Desfases distintos de 0 °, 30 ° (o múltiplos) requiere un desfase especial. Las más comunes son las conexiones Z y "delta extendida“

A medida que la potencia de los armónicos aumenta el desempeño de la red se vuelve más crítico


Cargas no linealesInfluencia en los transformadores / Conexiones



Problemas de los armónicos.

Se observó, que a medida que aumentaban las cargas electrónicas, los transformadores funcionaban con ruidos y un calentamiento excesivo, e incluso que se quemaban al cabo de uno o dos años.

Algunos se preguntaban:

¿Quizás los fabricantes de transformadores habían abaratado costos introduciendo materiales de baja calidad?. NO. Los transformadores eran los mismos, la causa estaba en los armónicos.



Problemas de los armónicos.

Las corrientes armónicas elevan las pérdidas adicionales en los bobinados, barras de conexión, bridas del núcleo y paredes del tanque principal, que pueden conducir a problemas térmicos como el envejecimiento prematuro del transformador.Grado de severidad depende del tipo de unidad rectificadora, de carga y el diseño del transformador. El diseño de los devanados debe ser capaz de soportar tensiones

mecánicas / térmicas debidas a la distribución de la temperatura más desigual que con corriente sinusoidal únicamente ("efecto final"). Los puntos calientes localizados se deben evitar y cada

arrollamiento necesita ser analizado por separado. El aumento de la temperatura debido al aumento de las pérdidas a causa de las componentes armónicas debe estar dentro de los límites especificados para el aumento de la corriente de carga real

Transformadores en Presencia de Armónicos Transformador convertidor

Elevación de Temperatura El aumento de la temperatura con la corriente de carga

real, incluyendo las pérdidas debidas a los armónicos debe estar dentro de los límites especificados.

Existe margen en el aumento de la temperatura con la corriente sinusoidal.

El diseño de los devanados debe ser capaz de soportar tensiones mecánicas / térmicas debidas a la distribución de la temperatura más desigual que con corriente sinusoidal ("efecto final").

Prueba de elevación de temperatura se puede hacer con la potencia equivalente, o con un cálculo más detallado, basado en la norma IEC 61378



Los voltajes de modo común resultan de la operación de conmutación del inversor y aparecen a través del acoplamiento capacitivo en los devanados del transformador en el devanado de BT contra tierra (también llamado componente de secuencia cero).

Estas tensiones de modo común aumentan el esfuerzo dieléctrico en el aislamiento de los transformadores y deben ser considerados en el diseño del transformador (nivel de aislamiento se aumenta en comparación con los requisitos de IEC 60076)

Transformadores en Presencia de Armónicos Voltaje modo común/transformador de entrada


Transformadores en Presencia de Armónicos Voltaje modo común/transformador de entrada

-4.0

-3.5

-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

kV

0 10 20msec

VOffset

VSec

VCommon


Transformadores en Presencia de Armónicos Transformador convertidor

¿Por qué se necesitan transformadores convertidores? (temas principales)

Adapta la tensión de alimentación de la red a la tensión de entrada del convertidor.

Aísla el convertidor de la red de alimentación y limita las corrientes de cortocircuito en el convertidor.

Alivia al motor y / o red de tensiones de modo común.

Reduce las radio interferencias (EMC) de la unidad a la red (pantalla especial).

Protege la unidad de los transitorios de voltaje de la red de alimentación.

Reduce los armónicos (impedancia del transformador y conexiones especiales para la operación multipulso).


Transformadores en Presencia de Armónicos Incremento de esfuerzos mecánicos

Alto di / dt, debido a la forma de onda del puente de diodos es causante de fuerzas mecánicas que no están presentes con carga normal con onda sinusoidal (es decir, el llamado "efecto martillo").

Normalmente, los rectificadores están protegidos con una función de “disparo rápido”, esta función hace un corto circuito pleno con el fin de que el interruptor de alta tensión dispare instantáneamente. Los transformadores de VSD se enfrentan a muchos más corto-circuitos durante su tiempo de vida que los transformadores de red normales.

Algunas aplicaciones de velocidad variable tienen carga muy cíclica, con continuos cambios rápidos de poco % a 100% de la carga (por ejemplo, los trenes de laminación)


Transformadores en Presencia de Armónicos Pantalla EMC

La UE ha establecido límites para la radio frecuencia (RF) la contaminación del sistema de suministro eléctrico en el punto de conexión del sistema de alimentación de la unidad (incluyendo el transformador) EN 61800

La misma regulación se aplica también cada vez más fuera de Europa

Sistemas de accionamiento por lo general no cumplen con este requisito sin filtros.

La industria requieren que el sistema sea compatible EMC (rotulado CE) en cualquier lugar, aunque el requisito de la UE sólo es en el punto de conexión a la red pública o a una distancia de 10 metros de la valla de frontera.

La pantalla electrostática correctamente diseñada es una manera rentable de cumplir el requisito para el paquete rectificador- transformador

Insulating cylinderMetal foil

5

12

3

5

4

Mid

dle

oftra

nsfo

rmer

win

dow

Indicación: Esta es la descripción general de la pantalla en la especificación del transformador, pero la fabricación real no es tan simple


Transformadores en Presencia de Armónicos Pantalla EMC

La pantalla electrostática también protege contra los esfuerzos por voltaje de modo común y del sistema de alimentación (rayo y conmutación)

Potencias superiores a algunos MVA MVA con corrientes armónicas típicas , las pérdidas en la pantalla son importantes, el diseño debe permitir su enfriamiento.

Transformadores de alimentación de VSD con conmutación de alta frecuencia en el lado de entrada (entrada activa), las pérdidas en la pantalla pueden ser dramáticas.

Tipo incorrecto de los cables de puesta a tierra de la pantalla puede hacer que la pantalla no sea funcional.

Indicación: Esta es una foto de una pantalla de fabricación local de bajo costo para transformador VSD en el Lejano Oriente después de unas semanas de operación con el 25% de la carga con entrada activa y frecuencia de conmutación de 3.2 kHz


Transformadores en Presencia de Armónicos Factor K

Desclasificación de transformadores. El factor K.

En EEUU, en 1989, se pensó en cuantificar el calentamiento producido en los transformadores cuando se presentan armónicos. En esta situación el transformador no debe funcionar a su potencia nominal y debe o cambiarse por otro de mayor potencia o disminuirse la carga. El transformador se “desclasifica” asociándole una potencia equivalente.

Esta potencia equivalente es igual a la potencia basada en el valor eficaz de la corriente no sinusoidal multiplicada por el factor “K”.

Este factor “K” se define como aquel valor numérico que representa los posibles efectos de calentamiento de una carga no lineal sobre el transformador. Inicialmente se consideró llamar a este número “C”, de constante, pero se temió que hubiese confusión con la unidad grado centígrado y se optó por utilizar la letra “K”.



En Estados Unidos la asignación de K a un transformador lo realiza Underwriter Laboratories (UL), no el fabricante.

El criterio UL1561 para establecer la clasificación es el siguiente: Inicialmente se prueba al transformador con una corriente sinusoidal de 60Hz para determinar las pérdidas en los devanados y en el núcleo. Del total de las pérdidas en los arrollamientos se restan las debidas al I2R, calculadas a 60Hz, y de este modo se deducen las pérdidas de dispersión que se consideran fundamentalmente producidas por corrientes de Foucault. Si el transformador es adecuado para un factor K determinado, las pérdidas por dispersión se multiplican por ese factor K y se suman a las debidas al efecto Joule a 60Hz. Si la elevación de la temperatura media en los devanados no supera la nominal el transformador es marcado como válido para trabajar con cualquier carga no linear de ese o menor factor K.

Los valores de K para transformadores catalogados por U.L. son: 1, 4, 9, 13, 20, 30 y 40.



ANSI/IEEE C57.110-1996 nos proporciona una guía para la desclasificación en función del factor K de la carga y de las pérdidas de dispersión proporcionadas por el fabricante del transformador. Como puede verse en la figura, este método es muy conservador aún comparándolo con el indicado por UL



Secondary winding q = 6 h fh(pu) Ih(pu)rms fh^2 fh^2*h^2 Ih(pu)^2 Ih^2*h^2 Ih*h^2

1 1.000 0.960 1.000 1.000 0.922 0.922 0.922 2 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 4 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 5 0.200 0.192 0.040 1.000 0.037 0.922 0.184 7 0.143 0.137 0.020 1.000 0.019 0.922 0.132 8 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

10 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 11 0.091 0.087 0.008 1.000 0.008 0.922 0.084 13 0.077 0.074 0.006 1.000 0.005 0.922 0.071 14 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 16 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 17 0.059 0.056 0.003 1.000 0.003 0.922 0.054 19 0.053 0.051 0.003 1.000 0.003 0.922 0.049 20 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 22 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 23 0.043 0.042 0.002 1.000 0.002 0.922 0.040 25 0.040 0.038 0.002 1.000 0.001 0.922 0.037 29 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 31 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 35 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 37 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 41 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 43 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 47 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 49 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

1.041 9.000 1.000 8.300 1.573 0.078



HV (Primary) LV (Secondary)Eddy Loss multiplier 8.300 Eddy Loss multiplier 8.300 Stray loss multiplier 1.573 Stray loss multiplier 1.573

0.077754887

TDD 27.9%

LV Losses HV Losses Total LossI2R Eddy Stray I2R Eddy Stray

Power TX designed 22605 3.5 30898 3.3 4780 60094

791.1 1019.6Rectifier 22605 6567 0 30898 8463 7519 76052

New Power 60094 / 76052 = 0.8889

Power TX designed 11250kVA Power Required 10000Max Power appl 10000kVA Power new design 11250

DISEÑO BASE OK



HV (Primary) LV (Secondary)Eddy Loss multiplier 8.300 Eddy Loss multiplier 8.300 Stray loss multiplier 1.573 Stray loss multiplier 1.573

0.077754887

TDD 27.9%

LV Losses HV Losses Total LossI2R Eddy Stray I2R Eddy Stray

Power TX designed 22605 10 30898 10 4780 63633

2260.5 3089.8Rectifier 22605 18763 0 30898 25646 7519 105431

New Power 63633 / 105431 = 0.7769

Power TX designed 11250kVA Power Required 10000Max Power appl 8740kVA Power new design 12872

DISEÑAR TRAFO CON POTENCIA NEW DESIGN


Transformadores en Presencia de ArmónicosEfecto de los armónicos/ Modelamiento térmico


Transformadores en Presencia de Armónicos Resumen

Modernas unidades de convertidores AC necesitan de transformadores con diseños especiales - transformadores normales no son factibles

El hecho anterior ha sido la razón para desarrollar normas independientes que han sido publicados por IEC e IEEE

Sin el apropiado diseño y fabricación del transformador, el rendimiento, la fiabilidad y la duración del sistema no se puede garantizar.

El diseño especial debe tener en cuenta sobre todo Aumento del esfuerzo dieléctrico

Problemas térmicos (en relación con los armónicos)

Aumento de los esfuerzos mecánicos

En muchos casos complejas conexiones internas para los desfases y diseños multi-bobina

Las consideraciones especiales se deben tener en cuenta especialmente para accionamientos de media tensión y en general de las unidades por encima de 1 MW

ABB tiene una posición única, ya que puede ofrecer la gama completa de un sistema de transmisión con sus productos.

Transformadores en Presencia de Armónicos Normas

IEC 61378-1 Converter transformers, Part 1 Transformers for Industrial Applications

IEEE C57.18.10 IEEE standard Practices for Semiconductor Power Rectifier Transformers”

IEC no hace requerimientos sobre nivel de aislamiento (BIL) IEEE si lo hace

Los diseños deben cubrir Incremento del esfuerzo dieléctrico en el

lado del rectificador Voltajes de modo común

Alto DU/dt

Corrientes armónicas

Compatibilidad electromagnética EMC

iu

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50



Colocar atención

El cálculo de armónicos se basa en una red puramente inductiva y se refiere a una sola unidad.

Cables y las unidades de compensación de factor de potencia pueden generar frecuencias de resonancia que pueden aumentar la distorsión armónica de manera dramática si la unidad rectificadora genera componentes armónicas de la misma frecuencia.

Los sistemas de filtración de armónicos pueden resultar en un exceso de compensación y empeorar los resultados.

Evite las redes débiles, una red tiene una potencia razonable: SCmin > 25 * Peje


ACS 1000 – Transformador de alimentación


ACS 1000 – Transformador de alimentación

• 12-pulse or 24-pulse topology• Oil or dry type transformer

Conformity to IEC 61000-2-4 and IEEE 519/1992 Total power factor: 0.95 constant over speed range Transformer can be placed inside the building or outdoor

Medium VoltageSupply Bus

Rectifier

I>> ProtMain Feeder

Breaker& Protection

12-pulseConverter Input

Transformer


Rectifier

I>> ProtMain Feeder

Breaker& Protection


Transformer


Rectifier

I>> ProtMain Feeder

Breaker& Protection


Transformer

12-pulse 24-pulse 24-pulse ACS 1000i


One 5-winding transformer

Screen

A

B

P

D

C

ISN/2Uv0/2

ISN/2Uv0/2

ISN/2Uv0/2

ISN/2Uv0/2

Id/2

Id

Id/2

Udi0

I PN

U L

Two separate 3-winding transformer

D C

Id/2

Id

Id/2

Udi0

IPN

U L

ScreenAB

P1

ISN/2Uv0/2

ISN/2Uv0/2

ISN/2Uv0/2

ISN/2Uv0/2

P2Screen

ACS 1000 – 24-pulsos Transformador de alimentación

Técnicamente comprometidp (no hay armónicos caracteristicos)

Mas compacto y costo inferior.

Técnicamente ideal y solución “segura”

Mas costoso y mas grande en tamaño.


Transformador rectificador de 12 pulsos Parte activa


ACS 6000 ”Doble ARU” con pasatapas Pfisterer


Solicitud del clienteEspecificación de requerimiento técnico


Doble ARU transformer

Dos partes activas

Un tanque común


Voltaje linea- linea THD = 1.19%Scc = 500MVA, Xsc = 10%

Corriente de fase TDD = 2.95%

ACS 5000 Amabilidad con las redes


Transformador para ACS 5000Pruebas de rutina


ABB Transformadores especiales(PG SPT) Mapa de asignación de mercado

South Boston

Pereira

ZhongshanShanghai

Lead Center Vaasa


ABB Transformadores especiales(PG (PG SPT) Fabricas para Transformadores VSD

Vaasa, Lead Center• Marketing & Sales• Market Intelligence• Engineering• R&D• Production• All VSD

Zhongshan• Marketing & Sales• Engineering• Production• all VSD (excl. ACS5000)

Pereira• Marketing & Sales• Engineering• Production• up 10MVA (excl. ACS5000)

Shanghai• Production• LV VSD, ACS 1000

South Boston Marketing & Sales Engineering Production LV VSD, ACS 1000


Fabrica enfocada en trafos hasta 63 MVA y 172 kV para la región LAM

Localización geográfica estratégica

Tecnología ABB totalmente implementada

Mas de 40 años de experiencia en la fabricación de transformadores

Cultura de fabricación basada en excelencia operacional.

Tasa de fallas en sala de pruebas de talla mundial.

ABB Pereira, Colombia Fábrica de Transformadores Especiales Región SAM

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